Підвищення ефективності радіомереж з пакетною комутацією методами та засобами управління доступом до радіоканалу

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Спеціальність 05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Підвищення ефективності радіомереж з пакетною комутацією методами та засобами управління доступом до радіоканалу

Войтер Анатолій Петрович

Київ -2008

Дсертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" на кафедрі телекомунікаційних систем

Науковий консультант

доктор технічних наук, старший науковий

співробітник

Бунін Сергій Георгійович,

НТУУ "КПІ", завідувач кафедрою

телекомунікаційних систем

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор

Романюк Валерій Антонович

НТУУ “КПІ”, Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації, заступник начальника з навчальної та наукової роботи

доктор технічних наук, професор

Конахович Георгій Филимонович

Національний авіаційний університет,

завідувач кафедрою телекомунікаційних систем

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Алішов Надір Ісмаіл-огли

Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, провідний науковий співробітник

Захист відбудеться "29 " травня 2008 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.14 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою:

03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корп.1 , ауд. 163.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут",

03056 м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий "23" квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Л.О.Уривський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток інформатизації суспільства останніх років спричинив появу певних проблем в реалізації проектів з мережевою технологією обробки інформації, пов'язаних з неспроможністю наявної телекомунікаційної інфраструктури навіть економічно міцних країн передавати з належною якістю значні потоки інформації. Особливо це відчутно при забезпеченні масового доступу до точок надання інформаційних послуг, що зумовило значне поширення радіомереж передачі даних з комутацією пакетів - пакетних радіомереж (ПР), як одного із засобів швидкого та відносно недорогого способу вирішення таких проблем. ПР стали одним із напрямків розвитку персональних комунікацій і охоплюють сьогодні користувачів на місцевому, зоновому, регіональному і глобальному рівнях. Поряд з системами передачі даних загального користування ПР широко розповсюджені також в системах спеціального призначення.

Масове впровадження ПР перш за все значною мірою залежить від наявності вільного частотного ресурсу. Тому проблема його ефективного використання набуває особливого значення і полягає в такій організації передачі даних по радіоканалу, яка б забезпечувала якомога більшу його пропускну здатність. В ПР ця проблема вирішується на нижніх рівнях їх логічної структури, які визначають архітектурні особливості мереж даного типу. Кожен з них має свою теорію і практику забезпечення ефективної роботи ПР, яка полягає в оптимальному формуванні, передачі та прийому радіосигналів на фізичному рівні, в раціональній організації управління з'єднаннями на канальному рівні та маршрутизації на мережевому рівні. Найсуттєвіший вплив на ефективність роботи ПР має рівень управління доступом до радіоканалу (Media Access Control - MAC), завдяки його загальномережевому значенню, зумовленому тим, що в процесі визначення моменту початку передачі він взаємодіє не лише з аналогічним рівнем кореспондуючої системи, але і з усіма без винятку відповідними рівнями систем мережі.

В масових ПР на МАС рівні типовим є використання методів управління доступом до радіоканалу на конкурентній основі з фіксованими процедурами і форматами, кожен з яких здатний забезпечити ефективну роботу лише в обмеженому діапазоні значень системних параметрів. Разом с цим сучасні ПР працюють в таких умовах і при такій динаміці навантаження, коли системні параметри можуть виходити за допустимий діапазон, що призводить до зниження пропускної здатності радіоканалу мережі чи до повного блокування її роботи у випадках неконтрольованого росту конфліктів. Це потребує створення методів та засобів МАС рівня, які б могли адаптуватися до таких умов, втримуючи швидкість, затримку передачі та пропускну здатність мережі в межах усталеної та ефективної роботи. Значне поширення ПР супроводжується також багатоваріантністю їх структурних рішень з різними способами забезпечення їх зв'язності шляхом використання того чи іншого виду ретрансляції. Крім того істотно змінюються і вимоги абонентів до транспортування даних, зокрема до затримки передачі та надання пріоритетів певним видам трафіку в конкурентних умовах доступу до радіоканалу, які не можливо задовольнити відомими засобами МАС рівня. Тобто, з одного боку, маємо об'єктивну необхідність вирішення актуальної проблеми раціонального використання пропускної здатності радіоканалу та задоволення сучасних вимог до ефективності функціонування ПР, а з іншого - суттєві прогалини в існуючих структурних та процедурних методах і засобах забезпечення їх роботи на МАС рівні, що унеможливлює вирішення цієї проблеми виключно на їх основі.

Таким чином існує важлива наукова проблема для вирішення якої необхідний подальший розвиток теоретичних основ та практична реалізація підвищення ефективності ПР методами та засобами управління доступом до радіоканалу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до планів науково-дослідних робіт Науково-дослідного Інституту телекомунікацій НТУУ "КПІ": НДР № 0607/0405 РАДІУС “Розробка радіотелекомунікаційної системи мобільного зв'язку на основі пакетної комутації з інтеграцією до телефонної мережі установи”, 1997-1998 р.р. (автор - відповідальний виконавець); НДР № 2610-Ф “Система телекомунікацій на основі наземних стільникових мереж і супутникових ретрансляторів”, № ДР 0103U000474, 2003-2005 р.р. (автор - відповідальний виконавець); НДР № 2972-Ф “Розробка пакетної радіомережі інтегрального обслуговування національного та регіонального масштабів”, № ДР 0106U004522, 2006-2008 р.р. (автор - відповідальний виконавець).

Мета роботи та завдання дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності ПР шляхом збільшення на МАС рівні їх пропускної здатності та стійкості до перевантажень в умовах нестаціонарності системних параметрів, а також забезпечення мінімізації затримки передачі, в тому числі пріоритетів для заданих видів трафіку при конкурентному доступі до радіоканалу.

Для досягнення мети необхідно вирішення наступних задач:

- узагальнення проблеми впливу МАС рівня ПР на їх функціонування, виявлення та аналіз найбільш істотних факторів, які впливають на його роботу та визначення напрямків підвищення його ефективності;

- розробка методів та засобів адаптивного керування пропускною здатністю та стійкістю до перевантажень стільникових ПР виходячи з потенціальної можливості реалізації узгоджених процедур абонентів та базової станції при конкурентному доступі до радіоканалу;

- аналіз варіантів ретрансляції з урахуванням процедур МАС рівня та створення методів та засобів компенсації впливу прихованих абонентів в ПР з архітектурою ad-hoc;

- формалізація поняття стійкості ПР і розробка та аналіз на цій основі методів і засобів локалізації конфліктів в ПР;

- обґрунтування можливості та розробка методів і засобів забезпечення пріоритетного доступу до радіоканалу в конкурентних умовах;

- розробка методів та засобів підвищення ефективності ПР на основі орбітальних ретрансляторів та високошвидкісних ПР з відносно великим інтервалом вразливості;

- створення методів та засобів адаптивного керування доступом до радіоканалу в ПР; радіомережа пакетний комутація

- розробка методів та засобів абонентського доступу на основі ПР до мереж загального користування;

- створення математичних моделей запропонованих методів і засобів для обґрунтування ефективності прийнятих рішень і розрахунку основних параметрів, необхідних для їх практичної реалізації.

Об'єкт дослідження - радіомережі з пакетною комутацією в процесі їх еволюції та поширення, що породжує проблему підвищення їх ефективності шляхом збільшення пропускної здатності та стійкості до перевантажень, а також задоволення вимог до якості обслуговування.

Предмет дослідження - методи і засоби підвищення ефективності пакетних радіомереж за рахунок процедурних та структурних рішень на МАС рівні, які збільшують пропускну здатність та стійкість до перевантажень, мінімізують затримку передачі та забезпечують пріоритети для заданих видів трафіку при конкурентному доступі до радіоканалу.

Методи дослідження ґрунтуються на положеннях системного аналізу, елементах теорії відновлення, теорії ймовірностей, теорії масового обслуговування, комбінаторного аналізу, чисельних методів та методів математичного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в розвитку теорії ПР шляхом розробки нових ефективних методів і засобів покращення основних параметрів функціонування на їх МАС рівні.

Основні наукові результати, отримані особисто автором:

- розроблено новий метод розв'язання конфліктів при конкурентному доступі абонентів до радіоканалу в стільникових ПР, заснований на селекції конфліктів базовою станцією та адаптивному управлінні ймовірністю повторного конфлікту в ізольованому часовому інтервалі, що на відміну від відомих методів запобігає переходу ПР за межі стабільності, та збільшує порівняно з відомими пропускну здатність мережі;

- запропоновано новий метод дозавантаження радіоканалу при конкурентному доступові абонентів в стільникових ПР, заснований на блочному резервуванні кількості пакетів для передачі в одному періоді, та адаптивній корекції з боку базової станції заявленої кількості в залежності від поточної інтенсивності трафіку, який на відміну від відомих методів збільшує межу стійкості та пропускну здатність мережі;

- створено математичні моделі нових методів розв'язання конфліктів та дозавантаження радіоканалу при конкурентному доступові абонентів до радіоканалу в стільникових ПР, які дозволяють розрахувати параметри адаптивного управління та основні характеристики МАС рівня мережі;

- вперше запропоновано математичну модель і критерій для оцінки ефективності способу ретрансляції з урахуванням впливу МАС рівня;

- вперше створено математичну модель оцінки ефективності варіантів локалізації конфліктів та запропоновано новий метод локалізації конфліктів, заснований на децентралізованих процедурах післяконфліктної фрагментації конфліктуючих абонентів на окремі сегменти, який на відміну від відомих розширює межу стійкості мережі та збільшує її пропускну здатність ;

- вперше запропоновано пріоритетний метод конкурентного доступу до радіоканалу на основі часової сегментації для одного або групи абонентів зі змінним коефіцієнтом пріоритету та метод забезпечення пріоритету по затримці передачі, який у порівнянні з відомим забезпечує пріоритетним абонентам доступ до радіоканалу в конкурентних умовах без затримки відкладеної передачі;

- розроблено нові методи управління доступом до радіоканалу для ПР на основі супутникових ретрансляторів а також методи ущільнення каналу резервування та дозавантаження каналу передачі даних для таких мереж, які дають можливість збільшити пропускну здатність і ефективність використання частотного ресурсу радіоканалу порівняно з відомими методами;

- доведено ефективність процедур асинхронного резервування у високошвидкісних наземних радіомережах міського масштабу та запропоновано нові методи множинного доступу до радіоканалу в таких мережах, які зберігають високу пропускну здатність при значеннях інтервалу вразливості, що перевищує допустимі значення для відомих методів;

- розроблено нові математично обґрунтовані методи адаптивного керування затримкою відкладеної передачі, що на відміну від відомих забезпечують мінімізацію затримки й утримання швидкості передачі на рівні пропускної здатності при флуктуаціях інтенсивності трафіку;

- вперше досліджено вплив розміру пакета на пропускну здатність МАС рівня ПР та створено нові адаптивні методи множинного доступу до радіоканалу, які шляхом обґрунтованого вибору стратегії варіації розміру пакета забезпечують збільшення, порівняно з відомими засобами, пропускної здатності та стійкості до перевантажень ПР.

- запропоновано новий метод передачі інтегрального трафіку пакетів даних і голосу в радіоканалі з конкурентним доступом, який на відміну від відомих при гарантованій затримці доставки пакетів голосу забезпечує адаптивне дозавантаження радіоканалу трафіком даних в залежності від інтенсивності голосового трафіку.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблені методи доведені до рівня практичної реалізації у вигляді нових протоколів множинного доступу до радіоканалу, використання яких дасть можливість підвищити ефективність роботи ПР.

2. Математичні моделі створених протоколів множинного доступу до радіоканалу дають змогу отримати кількісні оцінки їх швидкості передачі, пропускної здатності, межі стійкості та затримки передачі і таким чином обґрунтувати вибір того чи іншого протоколу при модифікації діючих чи проектуванні нових ПР для заданих умов експлуатації та мережевих параметрів.

3. Запропонована методика порівняльного аналізу варіантів ретрансляції корисна для кількісної оцінки на етапі ескізного проектування переваги тоги чи іншого типу ретранслятора з урахуванням впливу процедур протоколу множинного доступу, що використовується.

4. Математична модель для аналізу впливу прихованих абонентів дає змогу розрахувати структуру ПР в площині оптимального співвідношення кількості ланок ретрансляції та затримки передачі пакетів при заданому протоколі МАС рівня та інтенсивності трафіку.

5. При вирішенні задачі локалізації конфліктів в ПР може бути використана формалізація межі стійкості та математичні рівняння для кількісної оцінки того чи іншого способу локалізації при необхідності вибору оптимального для заданих параметрів мережі.

6. Використання математичної моделі надання пріоритету при конкурентному доступові дає практичну користь в розрахунку основних параметрів, зокрема пріоритетної переваги, межі стійкості мережі, оптимальної кількості сегментів локалізації та впливу пріоритетного трафіку на затримку передачі решти абонентів мережі.

7. Практична реалізація адаптивного множинного доступу здійснюється використанням створених математичних моделей адаптивних протоколів для розрахунку необхідних параметрів керування.

8. При оптимізації доступу до орбітальних ретрансляторів з використанням протоколів з асинхронним резервуванням розрахунок ширини та структури каналу резервування може здійснюватися за допомогою створеної математичної моделі.

9. Створені засоби абонентського доступу на основі ПР забезпечують ефективне підключення абонентів до мереж загального користування і розширюють таким чином сферу використання ПР. Методика розрахунку основних параметрів абонентського доступу може бути використана на етапі його проектування.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертації отримані здобувачем самостійно. У роботах, що опубліковані у співавторстві, здобувачеві належать: [1] -особисто написані глави 1, 2, 6 та розділ 3.3); [2]- особисто написані глави 1, 2, 3, 4, та розділи 7.2 і 7.3); [ 4, 6, 7, 10, 11, 12, 27, 28, 34, 45] - методи підвищення ефективності ПР, процедури протоколів та математичні моделі для аналізу характеристик МАС рівня мереж; [3, 29] - аналіз варіантів реалізації архітектури МАС рівня; [5, 13, 35, 38, 40-43] - методи оптимізації на МАС рівні ПР з архітектурою Ad-hoc та математичні моделі для їх аналізу; [19, 25, 36, 37, 39, 44] - методи адаптивного і пріоритетного управління на МАС рівні ПР та їх аналіз; [8, 9, 30, 31, 33, ] - архітектура та розрахунок основних параметрів мереж абонентського доступу на основі ПР.

Одинадцять робіт [14-18, 20-24, 26] здобувач виконав самостійно.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались та обговорювались на наступних симпозіумах та конференціях.

1. Міжнародна конференція вчених соціалістичних країн „Локальные вычислительные сети” (вересень 1986 р., Рига, Латвія).

2. Третя Всесоюзна конференція „Локальные вычислительные сети” (25-27 жовтня 1988 р,, Рига, Латвія).

3. Eighth International Symposium “Modular Infirmation Computer and Networks” (on September, 10-12th, 1991, Dubna, Russia).

4. Друга Міжнародна конференція по радіозв'язку, звуковому та телевізійному мовленню УКРТЕЛЕКОМ-95. (19-22 вересня 1995 р., Одеса, Україна).

5. Третя Міжнародна науково-технічна конференція по електрозв'язку, телевізійному та звуковому мовленню (9-12 вересня 1997 р., Одеса, Україна).

6. Науково-практична конференція “Стратегія входження України у світовий інформаційний простір” (11-12 червня 1997 р., Київ, Україна).

7. Четверта міжнародна науково-практична конференція по телекомунікаціям „НТК-ТЕЛЕКОМ 99” (14-17 вересня 1999 р.,Одеса, Україна).

8. Четверта Міжнародна науково-практична конференція “Современные информационные и электронные технологии “. (19-23 травня 2003 р., Одеса, Україна).

9. Тринадцята Кримська конференція „СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии” (8-12 вересня 2003 р., Севастополь, Україна).

10. П'ята Міжнародна науково-практична конференція “Современные информационные и электронные технологии”. (17-21 травня 2004 р., Одеса, Україна).

11. Чотирнадцята Кримська конференція „СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии” (13-17 вересня 2004 р., Севастополь, Україна).

12. International Conference “Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science- TCSET'2004. (February 24-28, 2004, Lviv-Slavsko, Ukraine).

13. Шоста Міжнародна науково-практична конференція “Современные информационные и электронные технологии”. (23-27 травня 2005 р., Одеса, Україна).

14. П'ятнадцята Кримська конференція „СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии” (12-16 вересня 2005 р., Севастополь, Україна).

15. Другий Міжнародний радіоэлектронний форум ”Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития -МРФ-2005. (19-23 вересня 2005 р., Харків, Україна).

16. Шістнадцята Кримська конференція „СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии” (11-15 вересня 2006 р., Севастополь, Україна).

17. Сімнадцята Кримська конференція „СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии” (10-14 вересня 2007 р., Севастополь, Україна).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 45 наукових праць, серед яких 2 монографії, 24 наукові статті в науково-технічних журналах та збірниках з переліку фахових видань ВАК, а також 19 публікацій за матеріалами конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів та висновку. Загальний обсяг роботи становить 324 сторінки, у тому числі 104 рисунка, 9 таблиць та список використаної літератури з 254 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і основні задачі досліджень, визначено область і об'єкт дослідження, сформульовано наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів. Наведено дані про апробацію та публікацію результатів досліджень.

У першому розділі висвітлено основні етапи розвитку та сучасний стан ПР, проаналізовано архітектуру ПР, методи і засоби конкурентного доступу до радіоканалу та методи їх аналізу, а також визначено і обґрунтовано напрямки підвищення ефективності ПР шляхом вдосконалення управління доступом до радіоканалу і сформульовано задачі дослідження.

Головною відміною ПР є те, що в них інтегровано два грунтовних принципи передачі даних - принцип комутації пакетів в багатовузловому комутаційному середовищі та принцип широкомовної передачі в спільному каналі зв'язку. Характер цієї відміни розглядається в термінології Еталонної моделі взаємодії відкритих систем, що узгоджена Міжнародною організацією із стандартів як засіб аналізу та проектування мереж. Відзначається, що архітектура ПР має особливості на нижніх рівнях їх логічної структури. Конкретний прояв особливостей полягає як в реалізації фізичного, канального та мережевого рівнів, так і у впливу на кожний із них МАС рівня.

МАС рівень реалізується в протоколах множинного доступу (МД) до радіоканалу. За своєю сутністю вони є інструментом прийняття рішення, коли та за допомогою яких процедур абонент, що має підготовлений до передачі пакет даних, може розпочати його передачу в спільному радіоканалі. Протоколи МД займають особливе місце в ієрархії протоколів ПР, так як володіють концептуальною складністю, зумовленою тим, що модуль управління множинним доступом має взаємодіяти не тільки з відповідним модулем кореспондуючої системи, але і з модулями решти абонентів мережі. З цього випливає, що від ефективності протоколів МД в значній мірі залежить ефективність роботи мережі в цілому. Наприклад, якщо в класичних багатовузлових мережах з пакетною комутацією задача контролю за перевантаженням вирішується на мережевому рівні, то в ПР перш за все на рівні протоколу МД. Він же суттєво впливає на пропускну здатність радіоканалу та на затримку доставки пакетів.

Проаналізовані методи спільного використання радіоканалу та запропонована п'ятирівнева класифікація протоколів МД, яка базується на поетапній деталізації процедур за мірою врахування ними спільних інтересів абонентів при конкурентному доступі до радіоканалу. Відзначено переважне розповсюдження в ПР методів випадкового множинного доступу (ВМД), що базуються на процедурах контролю зайнятості радіоканалу перед передачею - протоколи множинного доступу з контролем сигналу несучої (МДКН) в наземних ПР чи на процедурах неконтрольованого доступу (ALOHA) та на основі методів резервування в супутникових ПР.

Наведена порівняльна оцінка протоколів ВМД, розглянуті їх основні параметри та методи аналізу. Відзначено два основних напрямки аналізу протоколів: отримання розподілів ймовірностей параметрів та отримання їх середніх значень. До параметрів протоколів в першу чергу належать: швидкість передачі; пропускна здатність; затримка передачі; ймовірність втрати пакетів, їх доставки з нульовим часом очікування та простою радіоканалу; середня кількість пакетів, що очікують передачі; гарантований час усталеної роботи мережі. Аналіз основних характеристик протоколів ВМД в термінах середньої швидкості, затримки передачі, пропускної здатності й межі стійкості було виконано їх авторами (Kleinrock L., Tobagi F. A та ін.) на основі математичних моделей з використанням елементів теорії відновлення та ряду припущень відносно трафіку в радіоканалі, які зсувають оцінку ймовірнісних процесів у песимістичний бік оцінки їх середніх значень.

Акцентована увага на фіксованому наборі форматів і процедур в протоколах ВМД, що пов'язано також з фіксованою областю їх застосування та неможливістю адаптації в реальному часі до динаміки інтенсивності трафіку та зміни значень системних параметрів ПР, а також неможливістю надання пріоритетів для визначених типів трафіку в умовах конкурентного доступу.

Протоколи ВМД відрізняються між собою виключно процедурами доступу і не враховують потенціальної можливості підвищення їх ефективності за рахунок рішень, що приймаються на фізичному рівні, наприклад, за рахунок структурної організації радіоканалу, та на канальному за рахунок зміни довжини пакетів.

В результаті проведеного аналізу виявлено напрямки підвищення ефективності управління доступом до радіоканалу, які у першу чергу повинні бути пов'язані із збільшенням пропускної здатності радіоканалу, мінімізацією затримки передачі, забезпеченні пріоритетного доступу для заданих абонентів, можливістю адаптації до динаміки інтенсивності трафіку та зміни системних параметрів з метою утримання ПР в межах усталеної роботи. При цьому мають розглядатися основні структурні варіанти ПР: моноканальний, де всі абоненти мають безпосередній радіозв'язок, стільниковий, де ретранслятор може мати яка наземне, так і космічне базування та мережі з динамічною структурою, що самоорганізуються (мережі Ad-hoc). Основою для створення методів і засобів підвищення ефективності ПР на МАС рівні є базові протоколи МДКН в різних модифікаціях, протоколи ALOHA та методи резервування. З метою коректності порівняльної оцінки нових методів та засобів з відомими їх математичні моделі доцільно будувати в термінах середніх значень ймовірнісних параметрів МАС рівня при тих же припущеннях відносно трафіку, які були використані при аналізі відомих протоколів ВМД.

У другому розділі запропоновано та досліджено нові адаптивні процедурні методи і засоби керування пропускною здатністю та стійкістю до перевантажень стільникових ПР. Керування стійкістю до перевантажень базується на методі, заснованому на селекції конфліктів базовою станцією та адаптивному управлінні ймовірністю повторного конфлікту в ізольованому часовому інтервалі шляхом децентралізованого рівноймовірного розподілу черговостей передачі між абонентами, що мали конфлікт. Керування пропускною здатністю здійснюється методом дозавантаження радіоканалу, заснованим на блочному резервуванні кількості пакетів для передачі в одному періоді, та адаптивній корекції з боку базової станції заявленої кількості в залежності від поточної інтенсивності трафіку.

Запропоновані методи реалізовані у вигляді трьох нових адаптивних протоколів ВМД: з розв'язанням конфліктів (АРК), з резервуванням (АР) та інтегрального (АІ). Кожний з них має дві модифікації (гнучку та жорстку), які відрізняються стратегією поведінки абонентів при виявленні зайнятого стану радіоканалу.

Протоколи містять окремі процедури для абонентів мережі та для ретранслятора, а також механізми їх координації. В протоколах використовується розширене поняття зайнятості радіоканалу, що враховує як наявність сигналу несучої в радіоканалі, так і стан спеціального логічного признаку зайнятості, не тотожного сигналу несучої, який керується кожним абонентом у відповідь на протокольні дії ретранслятора.

Протокол АРК в гнучкій модифікації розроблений для забезпечення стійкості роботи ПР при значних флуктуаціях інтенсивності трафіку, коли його рівень перевищує межу стійкості відомих протоколів ВМД. Поняття забезпечення стійкості означає запобігання суттєвого збільшення кількості конфліктів у радіоканалі, що призводить до зниження швидкості передачі, а також запобігання пов'язаного з цим неконтрольованого росту затримки передачі пакетів.

Процедури протоколів виконуються таким чином, що коли пакети передаються безконфліктно, то протоколи АРК практично не відрізняються від аналогічних протоколів МДКН. Коли ретранслятор зафіксує інтерференцію пакетів та відповідно їх пошкодження, то він повідомляє абонентів про конфлікт пакетом спеціального формату, по якому абоненти позначають початок фази розв'язання конфлікту. На протязі цієї фази для всіх абонентів, що не приймали участі в поточному конфлікті, радіоканал буде залишатись зайнятим, а абоненти, які спровокували конфлікт, отримають право повторної передачі своїх пакетів, з розподілом черговості передачі на випадковій основі, що звичайно збільшить ймовірність їх безконфліктної передачі. При цьому для повторної передачі надається часових вікон, в кожному з яких може бути переданим один пакет безконфліктно, коли це вікно вибере лише один абонент, та з повторним конфліктом, коли вибере більше ніж один абонент. Абоненти, що потрапили в повторний конфлікт мають повторити передачу через інтервал часу випадкової протяжності на загальних підставах. В процесі роботи ретранслятор вимірює поточну інтенсивність трафіку та відповідно коригує параметр К.

Побудована математична модель протоколів АРК та отримані рівняння середньої швидкості та затримки передачі. Так середня швидкість передачі для гнучкої модифікації дорівнює: , де

,, .

А рівняння для жорсткої модифікації має вигляд:

,

де , та .

Аналізуючи отримані рівняння, досліджено вплив параметрів мережі на швидкість та затримку передачі, зокрема, досліджено функцію S=F(G) при різних значеннях K; функцію середньої затримки передачі D=F(G) при оптимальному (що дає максимум S) значенні K=K0; функцію S=F(K) при різних значеннях трафіку G; а також K0=F(G). Розраховані числові значення параметрів модифікацій протоколу АРК, зокрема визначена оптимальна ймовірність вибору черговості передачі в фазі розв'язання конфлікту.

Доведено, що протокол АРК в гнучкій модифікації порівняно з відомими протоколами збільшує межу стійкості мережі в десятки разів, а в жорсткій модифікації не забезпечує розширення межі стійкості роботи мережі, але майже на 50% збільшує пропускну здатність ПР порівняно з відомим жорстким протоколом МДКН.

В протоколах АР реалізовано процедурний метод підвищення пропускної здатності ПР за рахунок блочного резервування на основі методу дозавантаження. В цих протоколах абоненти мають право передачі лише за отримання дозволу від ретранслятора. Для цього при необхідності передачі абонент має передати до ретранслятора спеціальний короткий пакет резервування з зазначенням в ньому кількості пакетів (блоку), які він планує передати. Протоколи АР збудовані таким чином, що в радіоканалі конкурують лише короткі пакети резервування. Коли пакет резервування ретранслятор прийме безконфліктно, то він передає пакет дозволу передачі (ПДП), який містить кількість дозволених для передачі пакетів, яка може як дорівнювати N, так і бути меншою в залежності від поточної інтенсивності трафіку в радіоканалі. Абонент, якому адресовано ПДП отримує дозвіл на передачу вказаної кількості пакетів. Для безконфліктності такої передачі решта абонентів після отримання ПДП зафіксують зайнятість радіоканалу до закінчення передачі блоку пакетів.

Крім координації замовлень на передачу, ретранслятор також виконує вимірювання поточної інтенсивності трафіку. У випадку наближення інтенсивності трафіку до межі стійкості розмір дозволеного для передачі блоку не може бути більшим за один пакет. При зменшенні трафіку розмір N автоматично буде збільшуватися згідно з попередньо розрахованою таблицею відповідності.

Розроблена математична модель для протоколів АР, за допомогою якої отримані рівняння середньої швидкості передачі для гнучкої та жорсткої модифікації відповідно:

,

, та рівняння середньої затримки передачі D=F(G,N).

Проведено дослідження функції S=F(G), D=F(G,N) і S=F(N). Зокрема, отримано числові значення параметрів протоколів, в тому числі оптимального розміру блоку N для кожного значення трафіку G для реалізації таблиці відповідності ретранслятора.

Доведено, що протоколи АР в гнучкій та жорсткій модифікаціях мають порівняно з відповідними модифікаціями відомих протоколів пропускну здатність більшу на 15% та 79% відповідно.

Протоколи АІ створені на основі синтезу процедур протоколів АРК та АР. Суттєвим при цьому є механізм комутації цих процедур а також, те що на відміну від протоколу АРК передачу абоненти можуть здійснювати лише після отримання дозволу від ретранслятора по аналогії з протоколами АР. Для цього абоненти мають кожного разу передавати пакет резервування. Якщо пакет резервування був прийнятий безконфліктно, то виконуються процедури протоколу АР, в іншому випадку - процедури протоколу АРК.

Для гнучкої та жорсткої модифікацій протоколу АІ також отримані рівняння середньої швидкості передачі. Досліджено функції S=F)G) і Smax=F(N) та характер їх поведінки при різних значеннях системних параметрів.

Наведено порівняльний аналіз розроблених протоколів з відомими протоколами ВМД за критеріями середньої швидкості передачі, пропускної здатності, межі стійкості та за додатково запровадженим критерієм ємності . Таким чином доведено ефективність запропонованих методів адаптивного керування пропускною здатністю та стійкістю до перевантажень стільникових ПР при конкурентному доступі до радіоканалу та перевагу протоколів, реалізованих на їх основі над відомими протоколами.

У третьому розділі досліджено вплив конкурентного доступу до радіоканалу на ефективність ретрансляції в ПР з архітектурою Ad-hoc, а також пов'язану з ретрансляцією проблему прихованих абонентів та запропоновано новий протокол ВМД для її вирішення.

Створено математичну модель для оцінки ефективності та обґрунтованого вибору способу ретрансляції:

1. Одночастотним напівдуплексний ретранслятором.

2. Двочастотним дуплексним ретранслятором.

3. Одночастотним дуплексним ретранслятором.

Порівняльний аналіз проводився за комплексним критерієм у вигляді функції ефективності, що враховує затримку доставки пакетів і ступінь використання частотного ресурсу, та у припущенні, що доступ до радіоканалу здійснюється на основі гнучкого варіанту протоколу МДКН. Загальну функцію ефективності ретрансляції представлено у вигляді: D=fd , де f - коефіцієнт використання частотного ресурсу (f=1 для першого й третього способу, і f=2 для другого), d - середня кількість передач пакета, зумовлена гнучким протоколом МДКН на кожній ланці ретрансляції. При такому критерії оцінки більш кращим способом ретрансляції для заданого набору системних параметрів буде той, значення функції ефективності якого менше.

Для кожного з розглянутих способів ретрансляції отримані відповідні рівняння: , , і D3=0,5D2, де n-середня кількість ланок ретрансляції, m - коефіцієнт прихованого трафіку. Для першого способу, де визначальний вплив на ефективність мають приховані абоненти, отримані рівняння, що враховують той чи інший спосіб компенсації цього впливу. Зокрема при використанні спеціального протоколу із процедурами резервування -, а при використанні відомого протоколу доступу із сигналом “Зайнято” -, де q - відношення ширини смуги частот каналу передачі сигналу “Зайнято” до ширини смуги частот основного каналу, а r час детектування сигналу несучої у вузькосмуговому каналі “Зайнято”.

Результати порівняльного аналізу дають змогу обґрунтованого вибору того чи іншого варіанту ретрансляції в залежності від набору системних параметрів пакетної радіомережі.

Розроблено математичну модель для оцінки впливу прихованих абонентів на середню швидкість передачі. Як приклад використання моделі для гнучкого протоколу МДКН виведено рівняння середньої швидкість передачі при n ланках ретрансляції в ПР з архітектурою Ad-hoc.

Для компенсації впливу прихованих абонентів запропоновано і досліджено новий протокол множинного доступу, заснований на процедурах гнучкого протоколу МДКН, процедурах резервування й використанні захисних інтервалів, що забезпечують блокування впливу локального трафіку при успішному прийомі пакета резервування або пакета дозволу передачі. У пропонованому протоколі використається розширене поняття зайнятого й вільного стану радіоканалу, не тотожне винятково наявності або відсутності сигналу несучої. Зайнятим радіоканал вважається від моменту появи сигналу несучої й до завершення локального захисного інтервалу рівного ka після її зникнення за умови успішного прийому пакета резервування (ПРз) або пакета дозволу передачі (ПДП). Причому, захисний інтервал вважається вільним для абонента, якому адресований ПРз або ПДП. Таке виключення дає можливість забезпечити безконфліктну передачу пакету даних безпосередньо за ПДП.

Отримано рівняння середньої швидкості передачі для цього протоколу.

Залежності середньої швидкості передачі від загального трафіку в мережі для протоколу з резервуванням при трьох значеннях k. Там же для порівняння пунктирними лініями дані аналогічні залежності для гнучкого МДКН. Видно, що пропускна здатність пропонованого протоколу дорівнює 0,64, що приблизно в 2,4 рази вище пропускної здатності гнучкого протоколу МДКН, який не враховує у своїх процедурах впливу прихованих абонентів. Показано, що для кожного значення трафіку існує оптимальний параметр k, що забезпечує максимальну швидкість передачі, причому, пропускна здатність у всіх випадках залишається незмінною, Останнє зумовлено тим, що зі зміною k відбувається зміна локального трафіку, що приводить лише до зміни межі стійкості - вона росте зі зменшенням k.

Аналітично досліджено затримку передачі для запропонованого протоколу. Показано, що для кожного значення набору системних параметрів існує оптимальна за критерієм мінімуму затримки передачі кількість ланок ретрансляції при транспортуванні пакетів через всю мережу.

У четвертому розділі вирішено задачу розробки та аналізу методів і засобів локалізації конфліктів в ПР, а також обґрунтовано можливість забезпечення пріоритетів при доступі до радіоканалу на конкурентних засадах для визначених абонентів та створено необхідні для цього методи і засоби.

Одним зі методів забезпечення роботи ПР в стійкому режимі й мінімізації затримки передачі, обумовленої конфліктами, є локалізація зони потенційних конфліктів у певних частинах мережі або в певних часових інтервалах її роботи. Локалізація конфліктів реалізується одним із трьох способів:

- структурним (розділення радіоканалу на окремі сегменти);

- часовим (виконанням певних процедур множинного доступу, що забезпечують часову ізоляцію частин загального мережевого трафіку один від одного в момент конкуренції за радіоканал);

- динамічним (спеціальним методом, що забезпечує післяконфліктну фрагментацію кількості конкуруючих абонентів на окремі групи).

Створено математичну модель оцінки ефективності варіантів локалізації конфліктів. Додатково для порівняння оцінюється ефективність відомої енергетичної локалізації конфліктів, заснованої на ефекті захоплення приймачем більш потужного сигналу із сукупності сигналів на його вході. На основі формалізації поняття усталеної роботи мережі отримано обмеження на припустиму інтенсивність трафіку: Go<ln2(a)-1, та показано, що поділ радіоканалу на n сегментів підвищує стійкість мережі в n2 раз, а необхідна й достатня кількість сегментів для роботи мережі в стійкому режимі визначається рівнянням:. Важливим параметром є ступінь впливу структурної локалізації на сумарну затримку передачі пакетів. Поряд зі зменшенням затримки передачі, обумовленої конфліктами в межах сегменту, з'являється складова затримки передачі через транзитні сегменти й у самому сегменті призначення пакета. Ця складова залежить як від кількості сегментів, так і прийнятої схеми їх взаємодії. Аналітично показано, що структурна локалізація трафіку забезпечує не тільки стабілізацію роботи мережі при великих навантаженнях, але й мінімізує сумарну затримку передачі пакетів на відміну від енергетичної локалізації конфліктів, яка з погляду мінімізації затримки передачі недоцільна, але виправдана для підвищення стійкості мережі при перевантаженнях.

При локалізації конфліктів часовим методом стійкість мережі підвищується в n раз, а середня кількість передач у мережі, при цьому дорівнює: mq=n exp(aG/n). Для даного методу оптимальна з погляду мінімуму затримки передачі кількість віртуальних сегментів визначається рівнянням: noq=Ent[aG], а інтенсивність трафіка, при якому вона доцільна:G>(nlnn)/a(n-1).

На відміну від розглянутих методів, які спрямовані на запобігання переходу мережі в область нестійкої роботи, динамічний метод включається лише після виникнення конфлікту й усуває його наслідки. Якщо конфлікти в радіоканалі не виникають, то доступ до нього здійснюється штатним протоколом МДКН. На основі аналітичної моделі протоколу, що реалізує цей метод, досліджена його ефективність. Графік середньої швидкості передачі при трьох значеннях кількості віртуальних сегментів у фазі розв'язання конфлікту. Там же для порівняння пунктирною лінією показана крива для класичного жорсткого протоколу МДКН. Видно, що цей метод за рахунок процедур післяконфліктної фрагментації дозволяє втримувати мережу в стійкому режимі при рівні трафіка, що перевищує межу стійкості жорсткого протоколу приблизно в десять разів.

При цьому забезпечується підвищення пропускної здатності радіоканалу на 63%. Показано також, що для кожного значення інтенсивності трафіку існує оптимальна кількість віртуальних сегментів

Недоліком ПР з відомими протоколами ВМД, є те, що доступ до радіоканалу абоненти мають на рівноправній конкурентній основі, що не дозволяє організувати при необхідності певний пріоритет передачі для одного або групи абонентів. Проблема пріоритетного доступу логічно пов'язана із проблемою локалізації конфліктів тим, що для забезпечення переваги окремій групі абонентів необхідно її певним чином ізолювати від інших абонентів при конкурентному доступі до радіоканалу. Вперше запропоновано метод забезпечення пріоритетного доступу на основі часової локалізації трафіку та метод, який базується на двопротокольній схемі в сполученні із процедурами міжпротокольної координації у двох варіантах - з резервуванням часу для жорсткого протоколу МДКН пріоритетних абонентів і з конкурентним доступом, коли абоненти пріоритетного трафіку на рівні конкурують із абонентами основного трафіку, керованого гнучким протоколом МДКН.

Математична модель пріоритетного доступу на основі часової локалізації трафіку дає можливість визначити параметри пріоритетного доступу, зокрема, перевагу у затримці передачі абонентів пріоритетної групи в порівнянні з роботою в несегментованій мережі: , і в порівнянні з абонентами непріоритетних груп у сегментованій мережі: ?m=nPlp, а також межу стійкості мережі . Якщо для пріоритетних абонентів обмежуючим фактором є граничне значення кількості повторних передач m, то кількість сегментів у мережі повинна задовольняти умові: Значення коефіцієнта пріоритету Plp=1 дозволяє одержати характеристики мережі з абсолютним пріоритетним обслуговуванням.

У кожному з варіантів двопротокольної схеми абонентам пріоритетної групи забезпечується перевага по затримці відкладеної передачі. Отримано рівняння середньої швидкості передачі, що дозволяють визначити на кількісному рівні перевагу пріоритетних абонентів, оцінити ступінь впливу трафіку пріоритетних абонентів на пропускну здатність мережі та на їх рівень дискримінації непріоритетних абонентів по затримці передачі. Доведено, що ефективнішим є конкурентний доступ пріоритетних абонентів без резервування, як такий, що не зменшує швидкість передачі при збільшенні інтенсивності трафіку пріоритетних абонентів.

У п'ятому розділі вирішена задача підвищення ефективності ПР на основі орбітальних ретрансляторів та ПР з відносно великим інтервалом вразливості (регіональних мережах з ретрансляторами на аеростатних платформах, швидкісних мережах міського масштабу).

Головною відмінною рисою таких ПР є те, що в них процедури контролю зайнятості радіоканалу за сигналом несучої втрачають сенс. З огляду на цю обставину розроблено методи та відповідні протоколи ВМД зі зменшеною чутливістю до величини нормованого часу розповсюдження сигналу в мережі.

Метод множинного доступу з асинхронним резервуванням та протоколи на його основі базуються на поділі радіоканалу на підканал резервування та основний канал для передачі даних, а також на асинхронному розподіленому керуванні індикатором стану основного каналу й полягають в попередній передачі кожним абонентом у каналі множинного доступу резервування по протоколу ALOHA короткого заявочного пакету й постійному прослуховуванні широкомовного каналу резервування. Інтервалом вразливості для цього методу є не абсолютний час поширення радіосигналу в мережі, а лише різниця між часом поширення для абонентів, що перебувають на краю мережі, та абонентів в епіцентрі ретранслятора. Отримано рівняння середньої швидкості передачі для жорсткого й гнучкого протоколів з урахуванням витрати частотного ресурсу на організацію каналу резервування К. Ці рівняння дають можливість кількісно визначити параметри протоколу та підтвердити його перевагу перед відомими протоколами для супутникових мереж. Показано існування оптимальної ширини каналу резервування в площині системних параметрів, значення якої для гнучкої модифікації протоколу піддається аналітичному опису, а для жорсткої визначається чисельним методом.

Аналіз протоколів множинного доступу з асинхронним резервуванням дозволив виявити потенційний резерв їх пропускної здатності, що полягає в надлишку часу резервування величина якого визначається тим, що шпаруватість успішно переданих пакетів резервування при певних значеннях системних параметрів є істотно більшою часу, необхідного для передачі пакета даних по основному каналу. Цей резерв запропоновано використати двома методами - дозавантаженням основного каналу в періоди його простою або ущільненням каналу резервування з метою зменшення інтервалу проходження безконфліктно переданих заявочних пакетів.

Для реалізації першого методу розроблено протокол множинного доступу з адаптивним дозавантаженням основного каналу. Головна його відмінність полягає в поділі загального трафіку з інтенсивністю G на основний з інтенсивністю (1- m)G та на трафік дозавантаження з інтенсивністю mG і в процедурах керування передачею цих видів трафіку з урахуванням контролю моменту завершення вільного стану основного каналу. Побудована математична модель протоколу, що дозволила одержати рівняння середньої швидкості передачі:

.

Доведено, що пропускна здатність цього протоколу на 40% вище пропускної здатності протоколу з асинхронним резервуванням. Виходячи з умови не перевищення часу передачі пакетів дозавантаження тривалості вільного стану основного каналу отримано рівняння для визначення граничного значення трафіку (при заданому m), коли середня швидкість задається вищенаведеним рівнянням:

. Залежність граничного трафіку від m показано на рис.6.

Якщо інтенсивність трафіку вище граничної, то середня швидкість описується іншим рівнянням, де враховано примусове обмеження кількості передач в інтервалі дозавантаження значенням частки від ділення середньої тривалості вільного періоду на тривалість інтервалу передачі пакетів дозавантаження.

Другий метод використання надлишкового часу резервування реалізовано у протоколі багатоканального резервування. На відміну від протоколу асинхронного резервування він вимагає спеціальної структури каналу резервування у вигляді n підканалів резервування зі смугою шириною k, які поєднуються ретранслятором у загальний широкомовний канал резервування. По цьому широкомовному каналі ретранслятором передаються лише пакети резервування, які безконфліктно надійшли на його вхід, тобто передається ущільнений потік заявочних пакетів, що в підсумку дає можливість більш ефективно використати основний канал. Абоненти розділені на n сегментів, кожний з яких має доступ до власного підканалу резервування, прослуховує груповий широкомовний канал резервування та за встановленими процедурами безконфліктно передають дані по основному каналу.

Середня швидкість передачі з урахуванням витрати частотного ресурсу на резервування по протоколу ALOHA і при заданому співвідношенні N довжин пакетів резервування й даних описується рівнянням: . Математична модель протоколу дозволяє визначити оптимальну кількість каналів резервування (сегментів мережі) і граничне значення інтервалу вразливості a, що визначає межу доцільності застосування даного протоколу.

У зв'язку з ростом швидкості передачі в пакетних радіомережах міського масштабу або в мережах на основі аеростатних платформ нормований час поширення радіосигналу в мережі може досягати хоча й істотно менших значень, ніж у супутникових мережах, але досить значних, щоб більше ніж у два рази знизити ефективність протоколів МДКН. Показано, що проблему в цьому випадку доцільно вирішувати, використовуючи метод асинхронного резервування в сполученні з двопротокольним методом доступу до радіоканалу, де частина абонентів, одержує доступ по провідному протоколу, аналогічному протоколу з асинхронним резервуванням, а інша частина - по підпорядкованому протоколу, що координує свої процедури із провідним протоколом. На основі цього методу створені інтегральні протоколи. На відміну від розглянутого адаптивного протоколу з дозавантаженням, де після передачі пакета даних за успішною заявкою дозавантаження здійснюється на конкурентній основі всіма абонентами мережі в синхронному режимі з тактом синхронізації, рівному циклу передачі, в цьому протоколі доступ дозволений лише окремій частині абонентів в асинхронному режимі в будь який момент, коли основний канал вільний, причому, передача фонового трафіку здійснюється пакетами змінної довжини, а резервування може виконуватись, не тільки протоколом ALOHA, але і за протоколом МДКН. Побудовано математичну модель інтегральних протоколів за якою зокрема пропускна здатність при резервуванні по протоколу ALOHA визначається рівнянням: , а при резервуванні по гнучкому протоколу МДКН - отримується чисельним методом з рівняння середньої швидкості передачі..

Залежність пропускної здатності інтегральних протоколів від інтервалу вразливості, яка доводить їх ефективність у широкому діапазоні значень нормованого часу розповсюдження радіосигналу в мережі та перевагу перед відомими протоколами МДКН.

У шостому розділі вирішено задачу розробки методів і засобів адаптивного керування затримкою відкладеної передачі, межею стійкості й пропускною здатністю мережі, які за рахунок змінного набору процедур і форматів адаптуються під реальні умови функціонування мережі з метою збалансованого співвідношення зазначених параметрів і втримання роботи мережі в усталених межах.

Адаптивне керування затримкою відкладеної передачі базується на методі збалансованого сполучення гнучкої й жорсткої стратегій. На цій основі розроблено новий протокол, у якому стандартні процедури протоколів МДКН доповнені процедурою виміру поточної інтенсивності трафіку, а також процедурами адаптивного керування. Метою адаптивного керування є, з одного боку, утримання радіоканалу в межах стійкості, і, з іншого боку, мінімізація затримки відкладеної передачі шляхом забезпечення максимально допустимої для поточного значення трафіку жорсткості стратегії доступу. Пропонований протокол вимагає діяти в такий спосіб. При необхідності передачі перевіряти зайнятість радіоканалу по наявності сигналу несучої. Якщо сигнал несучої відсутній, то пакет повинен бути переданий. У іншому випадку з імовірністю р він повинен очікувати звільнення радіоканалу, як і у жорсткому МДКН, і передаватися відразу ж після зникнення сигналу несучої. З імовірністю (1-р) у момент зайнятого стану радіоканалу передача повинна бути відкладена на більш пізніший час, як у гнучкому МДКН. Розроблено математичну модель протоколу й отримано рівняння середньої швидкості передачі: , де P1 - імовірність успішної передачі пакета в першому періоді передачі, P2 - імовірність успішної передачі пакета в наступних періодах передачі циклу відновлення. За допомогою цього рівняння розраховуються параметри для адаптивного керування. Показано, що цей протокол утримує мережу в стійкому режимі при інтенсивності трафіку, що перевищує межу стійкості жорсткого протоколу МДКН більш ніж у десять разів, забезпечуючи при цьому перевагу перед гнучким протоколом по затримці відкладеної передачі.

...